论文摘要
氧化锌（ZnO）是一种多功能宽带隙（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体材料,室温下的激子束缚能高达60meV。ZnO还具有良好的热稳定性和生物兼容性,无毒无污染,是一种绿色环保型材料。由于ZnO具有独特的力、热、光、电性质,使得它在光学、电子学、光电子学等各领域都有着重要的应用。尤其是ZnO还具有半导体和压电的耦合特性,而这一点正是构造压电式纳米器件的基础。目前,许多基于一维ZnO微纳米结构的压电器件（比如：压电场效应晶体管、压电谐振器、压电应力传感器和纳米压电发电机等）纷纷地被研制出来,并且在微纳机电系统、生物医学医疗、微纳能源循环利用和自供电（self-powered）微纳系统等领域显示出了重要而广泛的应用前景,极大地推动了纳米科学技术的发展。本论文围绕着一维ZnO微纳米结构的可控生长,及其压电纳米发电机和压电应变传感器的设计和制备等有关问题,开展了一系列研究工作,主要内容包括以下几个部分：（1）采用低温水溶液法在普通的纤维纸衬底上生长ZnO纳米棒,并对其进行了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和光致发光谱（PL）等的测试分析。实验结果表明,生长的ZnO纳米棒具有六方纤锌矿结构的特征,分布均匀,且取向性较好。此外,分析了低温水溶液法生长ZnO纳米棒的机理,并且通过改变和控制其生长条件（籽晶层、先驱溶液浓度、生长时间等）实现了纸衬底上ZnO纳米棒的可控性生长,为柔性压电器件的制备打下了良好的基础。（2）成功地研制出一种基于纸衬底的交流纳米发电机。这种发电机的核心部分是长有ZnO纳米棒的柔性纤维纸。通过不断地弯曲-恢复这种柔性发电器件,可产生交变的压电信号,其输出电压和电流分别为1O mV和1O nA。并且,通过改变应变率可以自由控制发电机的电输出模式。除此之外,该纳米发电机也可以作为一个自供电的振动传感器使用,不但可以收集周围环境中随时产生的振动能量,还可以对于生活中遇到的一些突发事件给予监测和报警。（3）为了提高纳米发电机的输出性能,采用两次水溶液生长法在聚酯纤维面料（TFs）基底上生长了ZnO纳米棒,并成功制备了基于TFs的新型交流纳米发电机。研究结果表明,与采用一次水溶液法制备的纳米发电机相比,这种新型的纳米发电机的输出电压提高了约200倍。此外,我们还发现这种纳米发电机的输出信号,不受应变率和频率的影响,只与应变大小有关。随着应变的增加,输出电压也逐渐增加,最高达到7V左右,足够为我们日常的一些小型电子设备充电。（4）介绍了一种基于齿轮状ZnO微米线的新型压电应变传感器。利用CVD法制备出具有齿轮状的ZnO微米线（ZnO GMWs）。研究结果表明,这种微米线的横截面为齿轮状,与通常的具有六边形横截面的ZnO微/纳米线大不相同。研究表明,这种ZnOGMWs的合成主要是由于高温下相邻微米线之间的横向融合。此外,通过采用含铜5wt%的银浆作为ZnO微米线一端的电极接触,大大提高了这种新型器件的整流特性和工作性能。当偏压为±1V时,最高整流比可达105；在1.28%的应变下,应变灵敏度达1123,接近已报道的最好结果。